DE102009054629B4

DE102009054629B4 - piezo transformer

Info

Publication number: DE102009054629B4
Application number: DE102009054629.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Berberich Sven
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron GmbH and Co KG; Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2029-12-15
Also published as: DE102009054629A1

Abstract

Piezotransformator (6), der als Dickenschwinger ausgebildet ist, dessen Primär- (20) und Sekundärseite (22) gegenläufig schwingend in Schwingungsrichtung (18) in Reihe geschaltet sind, so dass eine Expansion der Primärseite (20) mit einer Stauchung der Sekundärseite (22) einhergeht, mit einer sich quer zur Schwingungsrichtung (18) erstreckenden Außenfläche (16a, b) und einer gegenüberliegenden weiteren Außenfläche (16a, b), mit einem ersten starren Kühlkörper (24a, b), der starr und ein schwingungstechnisches Widerlager (32) für die Außenfläche (16a, b) bildend, an diese gekoppelt ist, und einem zweiten, an den ersten gekoppelten Kühlkörper, bei dem beide Kühlkörper (24a, b) dadurch starr miteinander verbunden sind, dass sie unter Durchdringung des Piezotransformators (6) magnetisch anziehend ausgebildet sind.Piezotransformator (6), which is designed as a thickness oscillator whose primary (20) and secondary side (22) are connected in opposite directions swinging in the direction of vibration (18) in series, so that an expansion of the primary side (20) with a compression of the secondary side (22 ), with an outer surface (16a, b) extending transversely to the oscillation direction (18) and an opposing further outer surface (16a, b), having a first rigid heat sink (24a, b) which is rigid and a vibration-resistant abutment (32). forming for the outer surface (16a, b), is coupled to this, and a second, coupled to the first heat sink, in which both heat sinks (24a, b) are rigidly connected together by the fact that they penetrate the piezoelectric transformer (6) are designed attractively.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezotransformator.The invention relates to a piezoelectric transformer.

Piezotransformatoren sind heutzutage in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. TFT-Monitoren (TFT, thin film transistor), zur potentialgetrennten Spannungserhöhung oder Energieübertragung im Einsatz. Piezotransformatoren ersetzen hierbei in der Regel die bisher üblichen magnetischen Transformatoren.Piezotransformatoren are nowadays in various applications, such. As TFT monitors (TFT, thin film transistor), for potential-separated voltage increase or energy transfer in use. Piezotransformatoren replace this usually the usual magnetic transformers.

Es gibt auch Konzepte, Piezotransformatoren zur Leistungs- und/oder Signalübertragung zu nutzen, beispielsweise in Treibern von Leistungsbauelementen. Aus der DE 10 2006 032 392 A1 ist z. B. ein Verfahren zum Informations- und Energieübertragung bekannt, bei dem ein piezoelektrischer Übertrager zwischen den Schaltungseinheiten eingesetzt wird, über den sowohl Information auch als Energie übertragen wird.There are also concepts to use piezotransformers for power and / or signal transmission, for example in drivers of power devices. From the DE 10 2006 032 392 A1 is z. For example, a method of information and energy transfer is known in which a piezoelectric transformer is inserted between the circuit units via which information is also transmitted as energy.

Ein wichtiges Kriterium für den Einsatz von Piezotransformatoren ist ein hoher Wirkungsgrad, um eine Bauteilerwärmung aufgrund der eingeprägten Verlustleistung zu vermeiden. Durch verschiedene Einflüsse, wie z. B. Oberwellen, Nebenresonanzen, mechanische Verlust bei Schwingungen oder dielektrische Verluste entsteht aber dennoch Verlustleistung. Da dies unvermeidbar ist, kommt es im realen Bauelement dennoch zur Erwärmung.An important criterion for the use of piezotransformers is a high degree of efficiency in order to avoid component heating due to the impressed power loss. Due to various influences, such. As harmonics, side resonances, mechanical loss in vibration or dielectric loss but still power dissipation arises. Since this is unavoidable, the real component still heats up.

Um einen Piezotransformator effizient betreiben zu können, ist es außerdem erforderlich, diesen möglichst genau bei seiner mechanischen Resonanzfrequenz zu betreiben. Bei Lastschwankungen und Temperaturveränderungen ergeben sich Verschiebungen dieser Resonanzfrequenz. Bei gleichbleibender Betriebsfrequenz führt dieser Effekt damit zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung des Piezotransformators.In order to operate a piezoelectric transformer efficiently, it is also necessary to operate this as closely as possible at its mechanical resonance frequency. Load fluctuations and temperature changes result in shifts in this resonance frequency. At constant operating frequency, this effect thus leads to an additional increase in temperature of the piezotransformer.

Bisher wurden Piezotransformatoren in der Regel kaum in besonderer Weise gekühlt, da diese in Anwendungen mit vergleichsweise geringer Leistung eingesetzt wurden. Eine selbsttätige Kühlung durch Wärmeabstrahlung und selbsttätige Konvektion reichte in den meisten Anwendungen bisher aus.Until now, piezotransformers were hardly ever cooled in any particular way, since they were used in applications with comparatively low power. An automatic cooling by heat radiation and automatic convection was sufficient in most applications so far.

Aus der US 6 800 985 B2 ist es bekannt, einen Piezotransformator unter Zwischenschaltung von Kopplungsmaterial nach Art einer Sandwichbauweise zwischen einer Tragstruktur und einer Metallscheibe zu fixieren, um so eine Kühlanordnung für den Piezotransformator zu schaffen. Das Material für das Kopplungsmaterial muss hierbei sorgfältig ausgewählt werden, um die mechanischen Schwingungen des Piezotransformators nicht zu bedämpfen. Bei der Kühlung von Piezotransformatoren ist essentiell, dass die Piezotransformatoren selbst schwingen und die Schwingung durch die Ankopplung an den Kühlkörper nicht gedämpft werden soll.From the US Pat. No. 6,800,985 B2 It is known to fix a piezotransformer with the interposition of coupling material in the manner of a sandwich construction between a support structure and a metal disk, so as to provide a cooling arrangement for the piezoelectric transformer. The material for the coupling material must be carefully selected so as not to dampen the mechanical vibrations of the piezotransformer. When cooling piezotransformers, it is essential that the piezotransformers oscillate themselves and the oscillation should not be damped by the coupling to the heat sink.

Auch aus der DE 10 2005 036 077 A1 ist es bekannt, den Grundkörper eines Piezotransformators auf einem Kühlkörper anzuordnen und mittels mindestens eines wärmeleitenden Kopplungselements thermisch an den Kühlkörper zu koppeln.Also from the DE 10 2005 036 077 A1 It is known to arrange the main body of a piezoelectric transformer on a heat sink and to couple by means of at least one thermally conductive coupling element thermally to the heat sink.

Aus der US 6 215 227 B1 ist ein als Dickenschwinger ausgebildeter Piezotransformator bekannt, der mit Endmassen versehen ist, um die Eigenschaften des Piezotransformators zu verbessern.From the US Pat. No. 6,215,227 B1 is known as a thickness transducer piezoelectric transformer is known, which is provided with end masses to improve the properties of the piezoelectric transformer.

Es ist also stets wünschenswert, den Piezotransformator zu kühlen, ohne hierbei seine Kerneigenschaften, nämlich die potentialgetrennte Energie- und Signalübertragung, signifikant zu stören. Innerhalb des Piezotransformators darf also keine oder nur eine geringe Schwingungsdämpfung erfolgen.It is therefore always desirable to cool the piezotransformer without significantly disturbing its core properties, namely the potential-separated energy and signal transmission. Within the piezotransformer so no or only a small vibration damping may take place.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Piezotransformator mit Kühlkörper anzugeben.The object of the present invention is to specify an improved piezotransformer with a heat sink.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Piezotransformator gemäß Patentanspruch 1, der als Dickenschwinger ausgebildet ist, und dessen Primär- und Sekundärseite gegenläufig schwingend in Schwingungsrichtung in Reihe geschaltet sind. Der Piezotransformator weist eine sich quer zu Schwingungsrichtung erstreckende Außenfläche auf. Erfindungsgemäß ist ein starrer Kühlkörper, also mit hoher Federsteifigkeit, starr an die Kontaktfläche gekoppelt. Die Kopplung ist derart starr ausgelegt, dass der Kühlkörper ein schwingungstechnisches Widerlager für die Außenfläche bildet.The object is achieved by a piezoelectric transformer according to claim 1, which is designed as a thickness oscillator, and whose primary and secondary side are connected in opposite directions oscillating in the direction of vibration in series. The piezotransformer has an outer surface extending transversely to the direction of oscillation. According to the invention, a rigid heat sink, ie with high spring rigidity, is rigidly coupled to the contact surface. The coupling is designed so rigid that the heat sink forms a vibration control abutment for the outer surface.

Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass ein Piezo-transformator in Abkehr von der bisherigen Lehre gerade bei starrer Ankopplung an den Kühlkörper, also eben ohne Zwischenlagerung eines wärmeleitenden Kopplungselements bzw. eines Koppelmaterials, gekühlt werden kann, ohne dessen Wirkungsgrad zu verschlechtern.In this case, the invention utilizes the knowledge that a piezoelectric transformer can be cooled without departing from the previous teaching, especially with rigid coupling to the heat sink, ie, without intermediate storage of a heat-conducting coupling element or a coupling material, without impairing its efficiency.

Der mechanische Übertragungseffekt innerhalb des Piezotrans-formators entspricht einer stehenden Welle, welche mechanisch reflektiert wird. Die Reflektion erfolgt unter anderem an der Außenfläche, das Volumen des Piezotransformators bleibt auch beim Schwingen gleich. Die Ausdehnung des Piezotransformators im Resonanzbetrieb liegt im Mikrometerbereich, die Schwingungsfrequenz typischerweise im Megahertzbereich.The mechanical transmission effect within the piezotrans-formators corresponds to a standing wave, which is mechanically reflected. The reflection takes place, inter alia, on the outer surface, the volume of the piezotransformer remains the same even when swinging. The expansion of the piezotransformer in resonance mode is in the micrometer range, the oscillation frequency typically in the megahertz range.

Die Erfindung beruht weiterhin auf der Erkenntnis, dass der so angekoppelte Kühlkörper als starres begrenzendes Element bzw. als Widerlager wirkt und eben nicht mit dem Piezotransformator mitschwingt. Mit anderen Worten verstärkt, bzw. stabilisiert oder fixiert der Kühlkörper die Außenfläche als mechanische Resonanzfläche des Piezotransformators im Raum, so dass dessen Schwingungseigenschaften sogar noch verbessert werden.The invention is further based on the finding that the heat sink coupled in this way acts as a rigid limiting element or as an abutment acts and just does not resonate with the piezo transformer. In other words, the heat sink reinforces or stabilizes or fixes the outer surface as a mechanical resonance surface of the piezotransformer in space, so that its vibration properties are even improved.

Die Erfindung nutzt den überraschenden Effekt, dass sich der starr angekoppelte Kühlkörper sogar positiv auf die Funktionsweise des Piezotransformators auswirkt: Weiche bzw. elastische Verbindungen zwischen Piezotransformator und Kühlkörper, z. B. durch Wärmepasten, Einbettung oder Zwischenlagerung von Koppelmaterialen, scheinen den Piezotransformator also mehr zu bedämpfen als ein starr angekoppelter, ein Widerlager bildender starrer Kühlkörper. Durch die Funktion als Widerlager steigert der Kühlkörper die Effektivität des Piezotrans-formators. Der Kühlkörper dient also als Widerlager für die mechanische Ausdehnung des Piezotransformators, ohne jedoch dessen Schwingungsenergie zu absorbieren. Durch die Abführung der Wärme wird die Effizienz des Piezotransformators nochmals gesteigert. Die Funktionalität des Piezotransformators wird durch den als Widerlager ausgebildeten Kühlkörper entgegen bisheriger Erwartungen eben nicht beeinträchtigt. Die beim Betrieb eines Piezotransformators anfallende Verlustleistung kann so ohne Einschränkung dessen Bauelementeeigenschaften abgeführt werden.The invention uses the surprising effect that the rigidly coupled heat sink even has a positive effect on the operation of the piezoelectric transformer: soft or elastic connections between the piezoelectric transformer and heat sink, z. As by heat pastes, embedding or temporary storage of coupling materials, so the piezoelectric transformer so dampen more than a rigidly coupled, an abutment forming rigid heat sink. By functioning as an abutment, the heat sink increases the effectiveness of the piezotransformator. The heat sink thus serves as an abutment for the mechanical expansion of the piezotransformer, but without absorbing its vibrational energy. The dissipation of heat further increases the efficiency of the piezotransformer. The functionality of the piezotransformer is not affected by the designed as an abutment heat sink contrary to previous expectations. The resulting during operation of a piezoelectric transformer power loss can be dissipated without limiting its component properties.

Die Erfindung nutzt außerdem die Erkenntnis, dass der Nutzen durch einen massiven Abtransport von Wärme einen eventuellen Nachteil durch eine geringe mechanische Dämpfung seitens des Kühlkörpers übersteigt.The invention also makes use of the knowledge that the benefit of a massive removal of heat exceeds a possible disadvantage by a low mechanical damping on the part of the heat sink.

Gemäß der Erfindung wird der Piezotransformator also mit einem Kühlkörper mit entsprechend guter Wärmeleitfähigkeit und hoher mechanischer Steifigkeit, z. B. einem Metallklotz, starr verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise über eine Schraube, Pressverbindung, Andruckfeder oder durch Löten oder Sintern erfolgen.According to the invention, the piezoelectric transformer is thus with a heat sink with a correspondingly good thermal conductivity and high mechanical stiffness, z. B. a metal block, rigidly connected. The connection can be made for example via a screw, press connection, pressure spring or by soldering or sintering.

Durch die erfindungsgemäße passive Kühlung des Piezotransformators wird es möglich, die Verlustleistung aus dem Piezotransformator in kompakter Weise und kosteneffizient abzuführen. Somit wird ein hoher Systemwirkungsgrad erreicht, wenn z. B. der Piezotransformator in einer Treiberschaltung bzw. einer Ansteuerschaltung realisiert ist.The passive cooling of the piezoelectric transformer according to the invention makes it possible to dissipate the power loss from the piezoelectric transformer in a compact and cost-effective manner. Thus, a high system efficiency is achieved when z. B. the piezotransformer is realized in a driver circuit or a drive circuit.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlkörper durch einen bzw. mit einem gewissen Anpressdruck an die Außenfläche gekoppelt. Diese Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass der angekoppelte Kühlkörper dann besonders gut als Widerlager wirkt, wenn durch den Kühlkörper kein zu hoher Druck auf den Piezotransformator ausgeübt wird. Der entsprechend geeignete Anpressdruck des Kühlkörpers an die Außenfläche hängt unter anderem von der Geometrie und den gewählten Materialien ab.In an advantageous embodiment of the heat sink is coupled by one or with a certain contact pressure to the outer surface. This embodiment is based on the finding that the coupled heat sink then acts particularly well as an abutment when no excessive pressure is exerted on the piezotransformer by the heat sink. The correspondingly suitable contact pressure of the heat sink to the outer surface depends inter alia on the geometry and the materials chosen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper mit einem bestimmten Druck an die Außenfläche angepresst. Der Druck ist hierbei größer einem ersten Druck gewählt, ab dem der Kühlkörper dem Piezotransformator als schwingungstechnisches Widerlager dient. Der Druck ist kleiner einem zweiten Druck gewählt, ab dem der Piezotransformator eine leistungseinschränkende Schwingungsdämpfung durch den Kühlkörper erfährt. Mit anderen Worten existiert für einen bestimmten Piezotransformator stets ein optimaler Bereich von Anpressdrücken zwischen Kühlkörper und Außenfläche, so dass der Druck groß genug ist, um das Widerlager zu realisieren, jedoch den Piezotransformator noch nicht bezüglich seiner mechanischen Schwingung zu stark einzuschränken. Da dieser Parameter stark von den Bauelementegeometrien und Materialdaten abhängt, müssen anwendungsspezifisch entsprechende Drücke bzw. Druckbereiche durch Versuche ermittelt werden. Dies geschieht, in dem z. B. der Wirkungsgrad des Transformators bei bestimmten Anpressdrücken ermittelt wird, und der Anpressdruck in dem Bereich gewählt wird, in dem die Leistungsübertragung des Piezotransformators, d. h. dessen Wirkungsgrad, maximal ist.In a preferred embodiment of this embodiment, the heat sink is pressed against the outer surface with a certain pressure. The pressure here is greater than a first selected pressure, from which the heat sink is the piezoelectric transformer as a vibration abutment. The pressure is selected smaller than a second pressure, from which the piezotransformer undergoes power-limiting vibration damping by the heat sink. In other words, for a given piezotransformer, there is always an optimum range of contact pressures between the heat sink and the outer surface, so that the pressure is high enough to realize the abutment, but not yet to restrict the piezotransformer too much with respect to its mechanical vibration. Since this parameter depends strongly on the component geometries and material data, corresponding pressures or pressure ranges must be determined by tests in an application-specific manner. This happens in the z. B. the efficiency of the transformer is determined at certain contact pressures, and the contact pressure is selected in the range in which the power transmission of the piezotransformer, d. H. its efficiency is maximum.

Erfindungsgemäß weist der Piezotransformator zwei gegenüberliegende Außenflächen auf. An jede der Außenflächen ist ein starrer Kühlkörper starr gekoppelt. Beide Kühlkörper sind außerdem starr miteinander verbunden. Die beiden Kühlkörper schließen damit den Piezotransformator starr zwischen sich ein. Beide Kühlkörper bilden somit Widerlager an beiden Außenflächen des Piezotransformators, welche in Schwingungsrichtung an den jeweiligen mechanischen Reflektionsflächen der mechanischen Wellen liegen. Durch einen entsprechend gestalteten Anpressdruck der Kühlkörper an beiden Außenflächen können in unerwarteter Weise die mechanischen Resonanzeigenschaften des Piezotransformators gegenüber dessen freier Schwingung, also ohne Widerlager, sogar noch gesteigert werden, anstatt diesen – wie bisher angenommen – zu bedämpfen.According to the piezotransformator on two opposite outer surfaces. To each of the outer surfaces of a rigid heat sink is rigidly coupled. Both heat sinks are also rigidly connected. The two heat sinks thus close the piezotransformer rigidly between them. Both heatsinks thus form abutments on both outer surfaces of the piezotransformer, which lie in the direction of vibration at the respective mechanical reflection surfaces of the mechanical waves. By an appropriately designed contact pressure of the heat sink on both outer surfaces, the mechanical resonance properties of the piezoelectric transformer with respect to its free oscillation, ie without abutment, can be increased in unexpected manner, instead of this - as previously thought - to dampen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit zwei Kühlkörpern können diese derart starr verbunden sein, dass sich diese unter Durchdringung des Piezotransformators magnetisch anziehen. Mit anderen Worten ziehen sich die Kühlkörper gegeneinander an und schließen hierbei den Piezotransformator mit der durch die magnetische Anziehung entstehenden Kraft zwischen sich ein. Die Krafterzeugung sowie die Montage der Kühlkörper ist so besonders einfach auszuführen. Neben den oben angesprochenen Verbindungsmöglichkeiten durch Schrauben etc. stellt dies also eine besonders einfache Möglichkeit dar, den Kühlkörper am Piezotransformator zu befestigen.In the embodiment according to the invention with two heat sinks, these can be rigidly connected in such a way that they magnetically attract each other while penetrating the piezotransformer. In other words, the heatsinks attract each other, thereby sandwiching the piezotransformer with the force created by the magnetic attraction. The power generation and the installation of the heat sink is so easy to perform. In addition to the above Connection possibilities by means of screws, etc., this represents a particularly simple way to attach the heat sink to the piezotransformer.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Piezotransformator auf einer Tragstruktur gelagert. Der Kühlkörper ist dann starr an der Tragstruktur angebracht. Der Kühlkörper bildet dann ein bezüglich der Tragstruktur starres schwingungstechnisches Widerlager für die Außenfläche. Zum Beispiel ist dann der Kühlkörper mit seinen Außenflächen einerseits am Kühlkörper und andererseits an der Tragstruktur abgestützt. So ergibt sich der gleiche Effekt, als wäre der Piezotransformator zwischen zwei starr verbundenen Kühlkörpern eingespannt.In a preferred embodiment of the invention, the piezotransformer is mounted on a support structure. The heat sink is then rigidly attached to the support structure. The heat sink then forms a vibration-resistant abutment with respect to the support structure for the outer surface. For example, the heat sink is then supported with its outer surfaces on the one hand on the heat sink and on the other hand on the support structure. This results in the same effect as if the piezotransformer were clamped between two rigidly connected heat sinks.

Im Regelfall ist also der Kühlkörper immer direkt an der Außenfläche angeordnet, d. h. ohne Zwischenlage irgendwelcher Materialen wie Wärmeleitpaste oder Koppelmaterial. Ist der Piezotransformator allerdings mit seiner Außenfläche starr an die Tragstruktur angekoppelt, z. B. angeklebt oder angelötet und ist die Tragstruktur in diesem Bereich starr, dann kann der Kühlkörper auch an der der Außenfläche gegenüberliegenden Seite der Tragstruktur starr angebracht sein. Der Kühlkörper ist dann ebenfalls starr, aber nicht direkt an die Außenfläche gekoppelt. Diese Variante kann besonders vorteilhaft mit der o. g. erfindungsgemäßen Ausgestaltung der magnetisch anziehenden Kühlkörper kombiniert werden.As a rule, therefore, the heat sink is always arranged directly on the outer surface, d. H. without the interposition of any materials such as thermal compound or coupling material. However, the piezotransformer is rigidly coupled with its outer surface to the support structure, for. B. glued or soldered and the support structure is rigid in this area, then the heat sink can be mounted rigidly on the opposite side of the outer surface of the support structure. The heat sink is then also rigid, but not directly coupled to the outer surface. This variant can be particularly advantageous with the o. G. inventive design of the magnetically attracting heat sink can be combined.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Kühlkörper aufgrund seiner Massenträgheit in Relation zur Schwingungsenergie des Piezotransformators das Widerlager für die Außenfläche. In diesem Fall muss der Kühlkörper z. B. nicht unbedingt starr mit einer Tragstruktur oder einen gegenüberliegenden Kühlkörper verbunden sein. Diese Ausführungsform lässt sich besonders gut mit der Ausführungsform der magnetisch anziehenden Kühlkörper verbinden, denn dann müssen diese nicht anderweitig fixiert werden. Mit anderen Worten wird der Kühlkörper derart schwer bzw. massiv ausgeführt, dass dessen Massenträgheit ausreicht, um bezüglich der Piezotransformators und dessen schwingender mechanischer Eigenmasse ein effektives Widerlager zu bilden.In a preferred embodiment of the invention, the heat sink forms the abutment for the outer surface due to its inertia in relation to the vibration energy of the piezotransformer. In this case, the heat sink z. B. not necessarily rigidly connected to a support structure or an opposite heat sink. This embodiment can be particularly well connected with the embodiment of the magnetically attracting heat sink, because then they do not have to be fixed otherwise. In other words, the heat sink is made so heavy or solid that its inertia sufficient to form an effective abutment with respect to the piezoelectric transformer and its oscillating mechanical mass.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper eine thermischen Kapazität auf, die mindestens doppelt so groß, und/oder einen thermischen Widerstand auf, der mindestens um den Faktor zwei kleiner, also mindestens halb so klein ist, wie die jeweiligen Größen des Piezotransformators. Dies hat den Effekt, dass der Kühlkörper als Wärmesenke fungiert. Der thermische Widerstand und die thermische Kapazität sind thermische Kenngrößen aus einem thermischen Ersatzschaltbild des Piezotransformators mit Kühlkörper. Der Wärmeabtransport vom Piezotransformator zum Kühlkörper wird dabei als Stromfluss modelliert und der thermische Widerstand und die thermische Kapazität haben Einfluss auf die durch den Kühlkörper aufnehmbare bzw. transportierbare Wärmemenge hat.In a further preferred embodiment, the heat sink has a thermal capacity which is at least twice as large and / or has a thermal resistance which is at least two times smaller, ie at least half as small as the respective sizes of the piezotransformer. This has the effect that the heat sink acts as a heat sink. The thermal resistance and the thermal capacity are thermal parameters from a thermal equivalent circuit diagram of the piezotransformer with heat sink. The heat removal from the piezotransformer to the heat sink is modeled as a current flow and the thermal resistance and the thermal capacity have an influence on the heat sink that can be absorbed or transported by the heat sink.

Für eine weitere Beschreibung der Erringung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:For a further description of the Erringung reference is made to the embodiments of the drawings. Each shows in a schematic schematic diagram:

1 einen Piezotransformator mit Kühlkörper auf einer Tragstruktur mit Schraub- oder Steckverbindung, 1 a piezotransformer with heat sink on a support structure with screw or plug connection,

2 den Piezotransformator aus 1 bei alternativer Montage mit Magnet- oder Klemmhalterung, 2 off the piezotransformer 1 with alternative mounting with magnetic or clamping bracket,

3 den Wirkungsgrad des Piezotransformators aus 1 bei verschiedenen Anpressdrücken. 3 the efficiency of the piezotransformer 1 at different contact pressures.

1 zeigt einen Ausschnitt eines Treibers 2 für ein nicht dargestelltes leistungselektronische Bauelement, nämlich dessen eine Treiberschaltung tragende Platine 4 (PCB, printed circuit board). Letztere bildet gleichermaßen eine Tragstruktur 5 für darauf angeordnete Elemente. Von der Treiberschaltung ist lediglich ein Piezotransformator 6 gezeigt. 1 shows a section of a driver 2 for an unillustrated power electronic component, namely its driver circuit supporting a circuit board 4 (PCB, printed circuit board). The latter also forms a supporting structure 5 for elements arranged thereon. Of the driver circuit is merely a piezoelectric transformer 6 shown.

Der Piezotransformator 6 umfasst zwei piezoelektrische Keramikscheiben 8a, b welche unter Zwischenlage einer Isolierschicht 10 aneinandergefügt sind. Der Piezotransformator 6 ist ein Dickenschwinger, d. h. die Keramikscheiben 8a, b schwingen in Richtung der Mittellängsachse 12, wobei z. B. eine Expansion der Keramikscheibe 8a, angedeutet durch den Pfeil 14a, mit einer Stauchung der Keramikscheibe 8b, angedeutet durch den Pfeil 14b, einhergeht. Somit bleibt auch im Betrieb des Piezotransformators 6 die Höhe h des gesamten Piezotransformators 6 zwischen seinen jeweiligen oberen und unteren kreisförmigen Außenflächen 16a, b konstant. Die Mittellängsachse 12 des Piezotransformators 6 stellt somit auch die Schwingungsrichtung 18 des Piezotransformators 6 dar. Die Keramikscheiben 8a, b sind also in Schwingungsrichtung 18 gegenläufig schwingend in Reihe geschaltet. Die Keramikscheibe 8a entspricht hierbei z. B. der Primärseite 20, die Keramikscheibe 8b der Sekundärseite 22 des Piezotransformators 6.The piezotransformer 6 includes two piezoelectric ceramic discs 8a , b which with the interposition of an insulating layer 10 are joined together. The piezotransformer 6 is a thickness oscillator, ie the ceramic discs 8a , b swinging in the direction of the central longitudinal axis 12 where z. B. an expansion of the ceramic disc 8a , indicated by the arrow 14a , with a compression of the ceramic disc 8b , indicated by the arrow 14b , goes along with it. Thus, it remains in operation of the piezotransformer 6 the height h of the entire piezotransformer 6 between its respective upper and lower circular outer surfaces 16a , b constant. The central longitudinal axis 12 of the piezotransformer 6 thus also represents the direction of vibration 18 of the piezotransformer 6 dar. The ceramic discs 8a , b are thus in the direction of vibration 18 in opposite swinging connected in series. The ceramic disc 8a corresponds to z. B. the primary side 20 , the ceramic disc 8b the secondary side 22 of the piezotransformer 6 ,

An jeder der sich quer zur Schwingungsrichtung 18 erstreckenden Außenflächen 16a, b ist direkt und starr, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Dämpfungs- oder Kopplungsmaterials, welches mechanisch federnde Eigenschaften aufweisen würde, ein Kühlkörper 24a, b angebracht, wobei auch dieser in sich starr, z. B. als massiver Metallblock, ausgeführt ist.At each of the transversely to the direction of vibration 18 extending outer surfaces 16a , B is direct and rigid, ie without the interposition of a damping or coupling material, which would have mechanically resilient properties, a heat sink 24a , b attached, whereby this is rigid in itself, z. B. is designed as a solid metal block.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind beide Kühlkörper 24a, b auch gegenseitig, mit- bzw. untereinander starr verbunden, schließen also den Piezotransformator 6 starr zwischens sich ein. Für die starre Verbindung untereinander sind in 1 zwei Alternativen gezeigt, nämlich eine Schraubverbindung durch eine sich mit entsprechenden, nicht näher erläuterten Schraubenköpfen am Kühlkörper 24a und an der Platine 4 abstützende Schraube 26. Durch die Schraube 26 ist außerdem der gesamte Piezotransformator 6 zusammen mit den Kühlkörpern 24a, b auf der Platine 4 gehalten. In the embodiment according to 1 are both heatsinks 24a , b also mutually, with or rigidly connected to each other, so close the piezotransformer 6 rigidly intervene. For the rigid connection with each other are in 1 shown two alternatives, namely a screw through a with corresponding unspecified screw heads on the heat sink 24a and on the board 4 supporting screw 26 , Through the screw 26 is also the entire piezotransformer 6 along with the heatsinks 24a , b on the board 4 held.

1 zeigt auch eine alternative Lösung, nämlich einen am Kühlkörper 24b angebrachten Verbindungsstift 28, welcher an seinem entfernten Ende eine Rastnase 30 trägt, welche im montierten Zustand den Kühlkörper 24a hintergreift und so die starre, den Piezotransformator 6 einschließende Verbindung der beiden Kühlkörper 24a, b bewerkstelligt. 1 also shows an alternative solution, namely one on the heat sink 24b attached connecting pin 28 , which at its far end a catch 30 which, in the assembled state, the heat sink 24a engages behind and so does the rigid, the piezotransformer 6 enclosing connection of the two heat sinks 24a , b accomplished.

In 1 ist zu erkennen, dass die Kühlkörper 24a, b ein mechanisches bzw. schwingungstechnisches Wiederlager 32 für den Piezotransformator 6 bilden, nämlich dessen Außenflächen 16a, b entsprechend fixieren, wobei die Schwingung des Piezotrans-formators 6 entsprechend der Pfeile 14a, b und somit eine Schwingung der Isolierschicht 10 in Schwingungsrichtung 18 weiterhin frei möglich ist.In 1 it can be seen that the heat sink 24a , b a mechanical or vibration-technical re-storage 32 for the piezotransformer 6 form, namely its outer surfaces 16a , b fix accordingly, with the vibration of the piezotransformator 6 according to the arrows 14a , b and thus a vibration of the insulating layer 10 in the direction of vibration 18 continues to be freely available.

2 zeigt den Piezotransformator 6 aus 1 in einer alternativen Anordnung, wobei dieser nämlich mit seiner Außenfläche 16b direkt mit der Platine 4 verbunden, z. B. auf dieser festgelötet ist. In einer ersten Ausführungsform ist nur ein einziger Kühlkörper 24a auf der anderen Außenfläche 16a ebenfalls angelötet bzw. angesintert, wodurch auch dieser wiederum direkt und starr am Piezotransformator 6 angebracht ist. 2 shows the piezotransformer 6 out 1 in an alternative arrangement, namely this with its outer surface 16b directly to the board 4 connected, z. B. is soldered on this. In a first embodiment is only a single heat sink 24a on the other outer surface 16a also soldered or sintered, whereby this in turn directly and rigidly on the piezotransformer 6 is appropriate.

In einer alternativen Ausführungsform ist wieder zusätzlich auch ein zweiter Kühlkörper 24b starr an die Außenfläche 16b des Piezotransformators 6 gekoppelt, in dem dieser nämlich in verschiedenen Ausführungsformen auf die der Außenfläche 16b gegenüber liegende Seite der Platine 4 aufgelötet, starr aufgeklebt oder mit Hilfe einer Klammer 34 an der Platine 4 oder am gegenüber liegenden Kühlkörper 24a starr verspannt ist.In an alternative embodiment, in addition, a second heat sink is also available 24b rigid to the outer surface 16b of the piezotransformer 6 In fact, in different embodiments, this is coupled to that of the outer surface 16b opposite side of the board 4 soldered, glued rigidly or with the help of a clamp 34 on the board 4 or on the opposite heat sink 24a is rigidly clamped.

Zwar ist in diesem Fall ein Teil der Platine 4 zwischen der Außenfläche 16b und dem Kühlkörper 24b angeordnet, da jedoch sowohl die jeweilige Verbindung als auch die Platine 4 selbst starr ist, d. h. keine wesentliche bzw. merkliche Schwingungsdämpfung am Piezotransformator 6 bewirkt, gilt auch diese Verbindung als starr.Although in this case a part of the board 4 between the outer surface 16b and the heat sink 24b arranged, however, there both the respective connection and the board 4 itself is rigid, ie no significant or significant vibration damping on the piezoelectric transformer 6 causes also this connection as rigid.

In den bisherigen Ausgestaltungen ist das Widerlager 32 dadurch erzeugt, dass die Kühlkörper 24a, b starr mit der Platine 4, oder dem Piezotransformator 6 verbunden sind. In einer erfindungsgemäßen Ausführung sind im Gegensatz hierzu in 2 die Kühlkörper 24a, b nicht durch körperliche Hilfsmittel am Piezotransformator 6 befestigt, sondern dadurch, dass sie sich unter Durchdringung des Piezotransformators 6 gegenseitig magnetisch anziehen. Die gezeigt Klammer 34 ist dann ebenfalls obsolet, da alleine durch die magnetische Anziehungskraft die Kühlkörper 24a, b am Piezotransformator 6 angedrückt sind und auch über entsprechende Reibung an diesem und der Platine 4 Halt finden. Eine zusätzliche Fixierung ist daher nicht notwendig.In the previous embodiments, the abutment 32 generated by that the heat sink 24a , b rigid with the board 4 , or the piezotransformer 6 are connected. In an embodiment according to the invention in contrast thereto in 2 the heat sinks 24a , b not by physical aids on the piezotransformer 6 attached, but in that they are under penetration of the piezotransformer 6 magnetically attract each other. The shown bracket 34 is then also obsolete, since only by the magnetic attraction of the heat sink 24a , b at the piezotransformer 6 are pressed and also on appropriate friction on this and the board 4 Stop. An additional fixation is therefore not necessary.

Insbesondere der Kühlkörper 24a ist in diesem Fall nicht starr, z. B. mit der Platine 4 verbunden. Dennoch stellt dieser auch wieder ein Wiederlager 32 für die Außenfläche 16a dar, nämlich alleine durch seine ihm eigene Massenträgheit in Relation zur Schwingungsenergie im Inneren des Piezotransformators 6.In particular, the heat sink 24a is not rigid in this case, z. B. with the board 4 connected. Nevertheless, this also represents a re-camp 32 for the outer surface 16a namely, alone by its own inertia in relation to the vibration energy in the interior of the piezotransformer 6 ,

3 zeigt in einem qualitativen Diagramm über dem Anpressdruck p des Kühlkörpers 24a, b an die jeweilige Außenfläche 16a, b den Wirkungsgrad η für die Übertragung von Energie durch den Piezotransformator 6, also von dessen Primärseite 20 zur Sekundärseite 22. Zu sehen ist, dass bei steigendem Anpressdruck p der Wirkungsgrad η zunächst ansteigt, und zwar merklich ab einem unteren Druck p1, bei welchem der Kühlkörper 24a, b ein wirksames Widerlager 32 für die Außenflächen 16a, b bildet. Der Wirkungsgrad η erreicht dann ein Maximum beim Druck p3 und fällt bei weitersteigendem Anpressdruck p weiter ab, wenn nämlich ab einem zweiten Druck p2 der Piezotrans-formator 6 eine merkliche leistungseinschränkende Schwingungsdämpfung durch den angedrückten Kühlkörper 24a, b erfährt. Der Anpressdruck p wird daher bei der Auslegung des Treibers 2 so gewählt, dass dieser zwischen den beiden Drücken p1 und p2 liegt, vorzugsweise jedoch beim Druck p3. 3 shows in a qualitative diagram on the contact pressure p of the heat sink 24a , b to the respective outer surface 16a , b the efficiency η for the transmission of energy through the piezotransformer 6 that is from its primary page 20 to the secondary side 22 , It can be seen that, as the contact pressure p increases, the efficiency η first increases, namely noticeably from a lower pressure p1 at which the heat sink 24a , b an effective abutment 32 for the outer surfaces 16a , b forms. The efficiency η then reaches a maximum at the pressure p3 and drops further as the contact pressure p continues to increase, namely, if, starting from a second pressure p2, the piezotransformer 6 a noticeable performance-limiting vibration damping by the pressed-on heat sink 24a , b learns. The contact pressure p is therefore in the interpretation of the driver 2 chosen so that this is between the two pressures p1 and p2, but preferably at the pressure p3.

4 zeigt einen Kühlkörper 24 mit aufgesetztem Piezotrans-formator 6 in schematischer Darstellung. Eingezeichnet sind außerdem die thermische Impedanz Z_thPT des Piezotransformators 6 und die thermische Impedanz Z_thKK des Kühlkörpers 24. 4 shows a heat sink 24 with attached piezotransformer 6 in a schematic representation. Also marked are the thermal impedance Z _{thPT of} the piezotransformer 6 and the thermal impedance Z _{thKK of} the heat sink 24 ,

5 zeigt ein einfaches thermisches Ersatzschaltbild zur Anordnung aus 4. Dargestellt sind als Komponenten der Impedanz Z_PT der thermische Widerstand R_thPT und die thermische Kapazität C_thpT des Piezotransformators 6. Die Impedanz Zkk dagegen teilt sich auf in den thermische Widerstand R_thKK und die thermische Kapazität C_thKK des Kühlkörpers 24. Die Umgebungstemperatur T_(amb) und die im Piezotransformator entstehende thermische Leistung P_(th) sind ebenso als Elemente des Ersatzschaltbildes dargestellt. Das thermische Ersatzschaltbild simuliert die thermischen Vorgänge in der Anordnung aus 4 nach Art eines elektrischen Ersatzschaltbildes mit entsprechender Übertragung der thermischen in elektrische Größen. 5 shows a simple thermal equivalent circuit diagram to the arrangement 4 , Shown as components of the impedance Z _{PT are} the thermal resistance _RthPT and the thermal capacitance _{CthpT of} the piezotransformer 6 , In contrast, the impedance Zkk is divided into the thermal resistance R _thKK and the thermal capacity C _{thKK of} the heat sink 24 , The ambient temperature T _(amb) and the resulting in the piezoelectric transformer thermal power P _(th) are also shown as elements of the equivalent circuit diagram. The thermal equivalent circuit simulates the thermal processes in the array 4 in the manner of an electrical equivalent circuit diagram with corresponding transmission of the thermal into electrical quantities.

Claims

Piezotransformator (6), der als Dickenschwinger ausgebildet ist, dessen Primär- (20) und Sekundärseite (22) gegenläufig schwingend in Schwingungsrichtung (18) in Reihe geschaltet sind, so dass eine Expansion der Primärseite (20) mit einer Stauchung der Sekundärseite (22) einhergeht, mit einer sich quer zur Schwingungsrichtung (18) erstreckenden Außenfläche (16a, b) und einer gegenüberliegenden weiteren Außenfläche (16a, b), mit einem ersten starren Kühlkörper (24a, b), der starr und ein schwingungstechnisches Widerlager (32) für die Außenfläche (16a, b) bildend, an diese gekoppelt ist, und einem zweiten, an den ersten gekoppelten Kühlkörper, bei dem beide Kühlkörper (24a, b) dadurch starr miteinander verbunden sind, dass sie unter Durchdringung des Piezotransformators (6) magnetisch anziehend ausgebildet sind.Piezotransformer ( 6 ), which is designed as a thickness oscillator whose primary ( 20 ) and secondary side ( 22 ) oscillating in opposite directions in the direction of oscillation ( 18 ) are connected in series, so that an expansion of the primary side ( 20 ) with a compression of the secondary side ( 22 ), with a transverse to the direction of vibration ( 18 ) extending outer surface ( 16a , b) and an opposite further outer surface ( 16a , b), with a first rigid heat sink ( 24a , b), the rigid and a vibration abutment ( 32 ) for the outer surface ( 16a , b), and a second, coupled to the first heat sink, in which both heat sinks ( 24a , b) are rigidly connected to each other by penetrating the piezotransformer ( 6 ) are magnetically attractive.

Piezotransformator (6) nach Anspruch 1, bei dem der Kühlkörper (24a, b) durch einen Anpressdruck (p) an die Außenfläche (16a, b) gekoppelt ist.Piezotransformer ( 6 ) according to claim 1, wherein the heat sink ( 24a , b) by a contact pressure (p) on the outer surface ( 16a , b) is coupled.

Piezotransformator (6) nach Anspruch 2, bei dem der Anpressdruck (p) zwischen einem ersten Druck (p1), ab dem der Kühlkörper (24a, b) der Außenfläche (16a, b) als schwingungstechnisches Widerlager (32) dient, und einem zweiten Druck (p2) liegt, ab dem der Piezotransformator (6) eine leistungseinschränkende Schwingungsdämpfung durch den Kühlkörper (24a, b) erfährt.Piezotransformer ( 6 ) according to claim 2, wherein the contact pressure (p) between a first pressure (p1), from which the heat sink ( 24a , b) the outer surface ( 16a , b) as an anti-vibration abutment ( 32 ) and a second pressure (p2) at which the piezotransformer ( 6 ) a performance-limiting vibration damping by the heat sink ( 24a , b) learns.

Piezotransformator (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der auf einer Tragstruktur (5) gelagert ist, bei dem der Kühlkörper (24a, b) starr mit der Tragstruktur (5) verbunden ist.Piezotransformer ( 6 ) according to one of the preceding claims, which is mounted on a supporting structure ( 5 ) is mounted, wherein the heat sink ( 24a , b) rigid with the support structure ( 5 ) connected is.

Piezotransformator (6) nach Anspruch 2, bei dem der Kühlkörper (24a, b) aufgrund seiner Massenträgheit in Relation zur schwingenden mechanischen Eigenmasse des Piezotransformators (6) das Widerlager (32) für die Außenfläche (16a, b) bildet.Piezotransformer ( 6 ) according to claim 2, wherein the heat sink ( 24a , b) due to its inertia in relation to the oscillating mechanical mass of the piezotransformer ( 6 ) the abutment ( 32 ) for the outer surface ( 16a , b) forms.

Piezotransformator (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kühlkörper (24a, b) eine thermische Kapazität (C_th) aufweist, die mindestens doppelt so groß ist wie die thermische Kapazität (C_thPT) des Piezotransformators (6) und/oder einen thermischen Widerstand (R_thKK) aufweist, der mindestens um den Faktor zwei kleiner ist gegenüber dem thermischen Widerstand (R_thPT) des Piezotransformators (6).Piezotransformer ( 6 ) according to one of the preceding claims, in which the heat sink ( 24a , b) has a thermal capacity (C _th ) which is at least twice as large as the thermal capacity (C _thPT ) of the piezoelectric transformer ( 6 ) and / or a thermal resistance (R _thKK ) which is smaller by at least a factor of two compared to the thermal resistance (R _thPT ) of the piezotransformer ( 6 ).